定向凝固和单晶制备技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
优点：温度梯度容 易控制 缺点：设备较为复 杂，能消耗较大， 温度梯度较小
图7 PD法原理图
2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法（HRS法）
1 快速凝固法是指铸件以一定的速度从炉中 移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式， 而且炉子保持加热状态。这种方法由于避 免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而 获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获 得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且 较均匀，使铸件的性能得以提高。
对 流 下 的 定 向 凝 固 技 术
重 力 场 作 用 下 的 定 向 凝 固 技 术
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。 1 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激 冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金 属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度， 实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热， 而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷 却。
镍铬合金
实例
表2-1:Mar-M200合金三种不同定向凝固工艺比较 1
2
传统定向凝固技术总结
小结
定向凝固技术从炉外法发展到炉内法，从PD法 1 LMC法其目的都是共同的，都是通过改 HRS法再到 变对凝固金属的冷却方式来提高对单向热流的控制， 从而获取更理想的定向凝固组织，尤其是LMC方法 已经被美国、俄罗斯等国家利用航空发动机的叶片。 然后，这些方法所获得的冷却速度却是有限的，从 而引发了对新型定向凝固技术的研究。
图10 区域融化液态金属冷却原理图
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝 固
定向凝固方法，由于受加热方法的限制，温 1 度梯度不可能再有很大提高，要使温度梯度 产生新的飞跃，必须寻求新的热源或加热方 式。
3.2
激光具有能量高度集中的特性，这使它具备 了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定 向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。
图14 原理图
3
新型定向凝固技术
对流下的定向凝固技术
3.6
基本原理：在加速旋转过程中造成液相强迫 对流，液相快速流动引起界面前沿液相中的 1 温度梯度极大的提高，非常有利于液相溶质 的均匀混合和材料的平界面生长，枝晶生长 形态发生显著的变化，由原来具有明显主轴 的枝晶变为无明显主轴的穗状晶，穗状晶具 有细密的显微组织。
3.3
图12 原理图
3
新型定向凝固技术
电磁约束成形定向凝固技术
基本原理是利用电磁感应加热熔化感应器内 1 的金属材料，并利用在金属熔体表层部分产 生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。 同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强 了铸件固相的冷却能力，在固液界面附近熔 体内可以产生很高的温度梯度，使凝固组织 超细化，显著提高铸件的表面质量和内在综 合性能。
3.4
图13 原理图
3
新型定向凝固技术
侧向约束下的定向凝固技术
3.5
基本原理：随着试样截面的突然减小，合金凝固组织由发 达的粗枝状很快转化为细的胞状。随着凝固的继续进行， 1 胞晶间距继续增加，之后胞晶间距保持基本恒定，凝固进 入新的稳态，最后当试样截面由小突然增大时，凝固形态 也由胞状很快转化为粗枝状。
(3)
20世纪60年代末Jackon和Hunt发明的低熔体有机 物模拟定向方法开辟了凝固过程和微观组织演化实 时观察的新时代，从而推动了金属凝固理论的发展。
1
定向凝固技术概述
凝固和晶体生长理论
1
1.3
固液界面形 态的选择
成分过冷理论
界面稳定性的 动力学理论
1
定向凝固技术概述
成分过冷理论
成分过冷是指凝固时由于溶质再分配造成固液界面 前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变在固 1 液界面液相内形成的过冷，而这种由固液界面前方 溶质再分配引起的过冷成为成分过冷。
专题二：定向凝固和单晶制备技术
报告人：徐志欣 专业：材料加工工程 学号：1400203061
定向凝固技术
定向凝固技术概述
1
2
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
4
3
1 1.1
定向凝固技术概述
定向凝固技术的背景
随着20世纪60年代后期大量能源相关的设 1 备需求不断增加，如核电站的开发、大型 压力容器的运用，相对应的用于这些设备 的大型板类件也迅速增加，从而对这些板 件的性能要求也逐渐严格，例如疏松、偏 析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好的 铸造性能和焊接性能，这就对传统的普通 锭生产工艺提出了挑战。 正是在这个背景下，日本与法国在70年 代末期相继提出了小高径比、高冷却强度 的定向凝固锭技术。
单晶制备技术
1.3
成分过冷的不足之处 在于不适用于快速凝 固领域。
图3 成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
成分过冷理论
1
1.3
成分过冷发生的必要条件 固液界面前沿溶质的富 集而引起溶质再分配 固液界面前方的也想实 际温度必须到达一定的值 才会发生成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
界面稳定性的动力学理论
也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和 Sekerka鉴于成分过冷理论的不足，提出一个考虑 1 了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力 学的理论。研究了温度场和浓度场的干扰行为、干 扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的 影响。
5
图5 定向凝固原理图
1
定向凝固技术概述
定向凝固的原理
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起 来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向 1 晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性 能和单向力学性能。
1.5
在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要 的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们对凝 固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展，也激 发了不同定向凝固技术的出现。
图15 原理图
3
新型定向凝固技术
重力场作用下的定向凝固技术
3.7
基本原理：由于重力加速度减小而有效的抑 1 制了重力造成的无规则热质对流，从而获得 溶质分布高度均匀的晶体。
超重力下的晶体生长，通过增大重力加速度 而加强浮力对流，当浮力对流增强到一定程 度时，就转化为层流状态，即重新层流化， 同样抑制了无规则的热质对流。
3
新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法
基本原理：采用区域熔化和液态金属冷却 相结合的方法。它利用感应加热，集中对 1 凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地 提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷 却速率明显提高，导致凝固组织细化，大 幅度提高了合金的力学性能。
3.1
最高温度梯度可达1300K/cm， 最大冷却速度可达50K/s。
1.4
定向凝固（Directional Solidfication）实质在材料 部分熔化状态下，通过移动固－液界面，以实现晶 体特定方向生长。
1
定向凝固技术概述
定向凝固的原理
定向凝固利用晶体的生长方向与热流方向平行且相 反的自然规律，在铸型中建立特定方向的温度梯度 1 使熔融合金沿着与热流方向相反的方向、按照要求 的结晶取向进行凝固的铸造工艺。
定向凝固在研究领域主要研究金属凝固和晶体生长 的基本手段，从某种意义上讲，凝固和晶体生长的 1 理论发展以及新材料的研发取决于当时定向凝固的 发展水平。
表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区
图2 典型铸锭的晶区结构
1
定向凝固技术概述
定向凝固技术的理论基础
1
定向凝固技术的理论基础是凝固和晶体生长理论， 20世纪的几项技术极大促进定向凝固技术的发展。
1 1.2
定向凝固技术概述
定向凝固技术的发展
定向凝固在工业和高科技方面有重要的运用，在生 产领域中，磁性材料、航空航天材料、和地面燃油 1 机涡轮叶片、复合材料、以及各种功能材料。
图1：最左边那个是原本金属晶体颗粒，中间那个是单方向晶 体，右边那个就是单晶叶片。
1 1.2
定向凝固技术概述
定向凝固技术的发展
3
新型定向凝固技术小结
纵观定向凝固技术的发展，人们在不断地提 高温度梯度、生长速度和冷却速度，以得到 性能更好的材料。而温度梯度无疑是其中的 1 关键，提高固液界面前沿的温度梯度在理论 上有以下途径：①缩短液体最高温度处到冷 却剂位置的距离; ②增加冷却强度和降低冷 却介质的温度; ③提高液态金属的最高温度。 无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形 技术会成为未来发展的焦点，在未来的发展中 会日渐成熟。
2 2.4
传统定向凝固技术
液态金属冷却法（LMC法）
原理：液态金属代替水，作为模壳的冷却介质， 模壳直接浸入液态金属冷却剂中，散热大大加 1 强，以至在感应器底部迅速发生热平衡，造成 很高的温度梯度。
冷却剂的温度
影 响 因 素
模壳传热性、 厚度、形状
熔液温度
图9 LMC法原理图
2
传统定向凝固技术总结
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一激冷 1 基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金 属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷 却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下 而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其 间是残余的金属液。在随后的冷却过程中， 这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶 骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。
1
定向凝固技术概述
定向凝固技术的理论基础
1.3
(2)
20世纪 1 60年代末Versnyder提出的高温合金定向凝 固方法，使得涡轮叶片的制备技术发生了革命性变 化，成为材料制备历史上的里程碑之一。
高温合金定向凝固方法（典型的涡轮叶片）原理： 用柱状晶的同方向凝固，将细长的柱状晶朝着凝固 方向平行涡轮叶片运转产生的离心力，从而形成单 晶叶片。
不足之处
1.3
凝固为稳定状态
图4 界面振动是否稳定的正弦现象
三 个 条 件
固液界面扰动振 幅要很小 扰动振幅随时间 成线性变化
1
定向凝固技术概述
定向凝固的定义
定向凝固（Directional Solidfication）是指在凝固 1 过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固金属熔体 中建立起特定方向的温度梯度,从而使熔体沿着与热 流相反的方向凝固,最终得到具有特定取向柱状晶的 技术。
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
1
优点：工艺简 单，生产成本 低。 缺点：温度梯 度不大而且很 难控制，不适 合大型件生产。
图6 炉外法原理图
2 2.2
传统定向凝固技术
功率降低法（PD法）
基本原理：把熔融的金属液置于保温炉， 保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激 1 冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则 自下而上逐渐凝固。
1.3
(1)
20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠 定了现代单晶生长和定向凝固的理论基础。
Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法，是 一种常见的晶体生长方法，原理：通过加热是的坩埚中 的材料被熔融，当坩埚持续下降过程中，底部的温度先 降低熔点以下，开始结晶，晶体从而不断的长大而形成。 这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化 物单晶。
2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法（HRS法）
1 快速凝固法的工艺特点：将铸 型以一定速度从炉中移出，或 者炉子以一定的速度移离铸件， 并采用空冷方式对流传热—— 辐射传热。 缺点：容易造成点 状偏析
图8 HRS法原理图
2 2.4
传统定向凝固技术
液态金属冷却法（LMC法）
1 液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，将 抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸 点、低熔点、热容量大的液态金属中。这种方 法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯 度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前 沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进 行，得到比较长的单向柱晶。
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝 固
利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快 1 速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得 与激光扫描方向一致的温度梯度，根据合金 凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组 织。
3.2
最高温度梯度可达106K/m，速 度可达24mm/s。
图11 原理图
3
新型定向凝固技术 深过冷定向凝固技术
定向凝固技术
传统定向凝固技术 新型定向凝固技术
炉 外 法
功 率 降 低 法
快 速 凝 固 法
液 态 金 属 冷 却 法
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
激 光 超 高 温 度 梯 度 快 速 定 向 凝 固
深 过 冷 定 向 凝 固 技 术
电 磁 约 束 成 形 定 向 凝 固 技 术
侧 向 约 束 下 的 定 向 凝 固 技 术
图7 PD法原理图
2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法（HRS法）
1 快速凝固法是指铸件以一定的速度从炉中 移出或炉子移离铸件，采用空冷的方式， 而且炉子保持加热状态。这种方法由于避 免了炉膛的影响，且利用空气冷却，因而 获得了较高的温度梯度和冷却速度,，所获 得的柱状晶间距较长，组织细密挺直，且 较均匀，使铸件的性能得以提高。
对 流 下 的 定 向 凝 固 技 术
重 力 场 作 用 下 的 定 向 凝 固 技 术
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
又叫发热剂法，是定向凝固工艺中最原始的一种。 1 基本原理：将铸型预热至一定温度后，迅速放到激 冷板上并进行浇铸，激冷板上喷水冷却，从而在金 属液和已凝固金属中建立一个自下而上的温度梯度， 实现单向凝固。也有采用发热铸型的，铸型不预热， 而是将发热材料充在铸型壁四周，底部采用喷水冷 却。
镍铬合金
实例
表2-1:Mar-M200合金三种不同定向凝固工艺比较 1
2
传统定向凝固技术总结
小结
定向凝固技术从炉外法发展到炉内法，从PD法 1 LMC法其目的都是共同的，都是通过改 HRS法再到 变对凝固金属的冷却方式来提高对单向热流的控制， 从而获取更理想的定向凝固组织，尤其是LMC方法 已经被美国、俄罗斯等国家利用航空发动机的叶片。 然后，这些方法所获得的冷却速度却是有限的，从 而引发了对新型定向凝固技术的研究。
图10 区域融化液态金属冷却原理图
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝 固
定向凝固方法，由于受加热方法的限制，温 1 度梯度不可能再有很大提高，要使温度梯度 产生新的飞跃，必须寻求新的热源或加热方 式。
3.2
激光具有能量高度集中的特性，这使它具备 了在作为定向凝固热源时可能获得比现有定 向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。
图14 原理图
3
新型定向凝固技术
对流下的定向凝固技术
3.6
基本原理：在加速旋转过程中造成液相强迫 对流，液相快速流动引起界面前沿液相中的 1 温度梯度极大的提高，非常有利于液相溶质 的均匀混合和材料的平界面生长，枝晶生长 形态发生显著的变化，由原来具有明显主轴 的枝晶变为无明显主轴的穗状晶，穗状晶具 有细密的显微组织。
3.3
图12 原理图
3
新型定向凝固技术
电磁约束成形定向凝固技术
基本原理是利用电磁感应加热熔化感应器内 1 的金属材料，并利用在金属熔体表层部分产 生的电磁压力来约束已熔化的金属熔体成形。 同时，冷却介质与铸件表面直接接触，增强 了铸件固相的冷却能力，在固液界面附近熔 体内可以产生很高的温度梯度，使凝固组织 超细化，显著提高铸件的表面质量和内在综 合性能。
3.4
图13 原理图
3
新型定向凝固技术
侧向约束下的定向凝固技术
3.5
基本原理：随着试样截面的突然减小，合金凝固组织由发 达的粗枝状很快转化为细的胞状。随着凝固的继续进行， 1 胞晶间距继续增加，之后胞晶间距保持基本恒定，凝固进 入新的稳态，最后当试样截面由小突然增大时，凝固形态 也由胞状很快转化为粗枝状。
(3)
20世纪60年代末Jackon和Hunt发明的低熔体有机 物模拟定向方法开辟了凝固过程和微观组织演化实 时观察的新时代，从而推动了金属凝固理论的发展。
1
定向凝固技术概述
凝固和晶体生长理论
1
1.3
固液界面形 态的选择
成分过冷理论
界面稳定性的 动力学理论
1
定向凝固技术概述
成分过冷理论
成分过冷是指凝固时由于溶质再分配造成固液界面 前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的改变在固 1 液界面液相内形成的过冷，而这种由固液界面前方 溶质再分配引起的过冷成为成分过冷。
专题二：定向凝固和单晶制备技术
报告人：徐志欣 专业：材料加工工程 学号：1400203061
定向凝固技术
定向凝固技术概述
1
2
传统定向凝固技术
新型定向凝固技术
4
3
1 1.1
定向凝固技术概述
定向凝固技术的背景
随着20世纪60年代后期大量能源相关的设 1 备需求不断增加，如核电站的开发、大型 压力容器的运用，相对应的用于这些设备 的大型板类件也迅速增加，从而对这些板 件的性能要求也逐渐严格，例如疏松、偏 析、非金属夹杂等。甚至还要求有良好的 铸造性能和焊接性能，这就对传统的普通 锭生产工艺提出了挑战。 正是在这个背景下，日本与法国在70年 代末期相继提出了小高径比、高冷却强度 的定向凝固锭技术。
单晶制备技术
1.3
成分过冷的不足之处 在于不适用于快速凝 固领域。
图3 成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
成分过冷理论
1
1.3
成分过冷发生的必要条件 固液界面前沿溶质的富 集而引起溶质再分配 固液界面前方的也想实 际温度必须到达一定的值 才会发生成分过冷现象
1
定向凝固技术概述
界面稳定性的动力学理论
也称为绝对稳定理论、MS稳定性理论。Mullins和 Sekerka鉴于成分过冷理论的不足，提出一个考虑 1 了溶质浓度场和温度场、固液界面能以及界面动力 学的理论。研究了温度场和浓度场的干扰行为、干 扰振幅和时间的依赖关系以及它们对界面稳定性的 影响。
5
图5 定向凝固原理图
1
定向凝固技术概述
定向凝固的原理
定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起 来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向 1 晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性 能和单向力学性能。
1.5
在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要 的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们对凝 固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展，也激 发了不同定向凝固技术的出现。
图15 原理图
3
新型定向凝固技术
重力场作用下的定向凝固技术
3.7
基本原理：由于重力加速度减小而有效的抑 1 制了重力造成的无规则热质对流，从而获得 溶质分布高度均匀的晶体。
超重力下的晶体生长，通过增大重力加速度 而加强浮力对流，当浮力对流增强到一定程 度时，就转化为层流状态，即重新层流化， 同样抑制了无规则的热质对流。
3
新型定向凝固技术
区域熔化液态金属冷却法
基本原理：采用区域熔化和液态金属冷却 相结合的方法。它利用感应加热，集中对 1 凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地 提高了固液界面前沿的温度梯度。由于冷 却速率明显提高，导致凝固组织细化，大 幅度提高了合金的力学性能。
3.1
最高温度梯度可达1300K/cm， 最大冷却速度可达50K/s。
1.4
定向凝固（Directional Solidfication）实质在材料 部分熔化状态下，通过移动固－液界面，以实现晶 体特定方向生长。
1
定向凝固技术概述
定向凝固的原理
定向凝固利用晶体的生长方向与热流方向平行且相 反的自然规律，在铸型中建立特定方向的温度梯度 1 使熔融合金沿着与热流方向相反的方向、按照要求 的结晶取向进行凝固的铸造工艺。
定向凝固在研究领域主要研究金属凝固和晶体生长 的基本手段，从某种意义上讲，凝固和晶体生长的 1 理论发展以及新材料的研发取决于当时定向凝固的 发展水平。
表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区
图2 典型铸锭的晶区结构
1
定向凝固技术概述
定向凝固技术的理论基础
1
定向凝固技术的理论基础是凝固和晶体生长理论， 20世纪的几项技术极大促进定向凝固技术的发展。
1 1.2
定向凝固技术概述
定向凝固技术的发展
定向凝固在工业和高科技方面有重要的运用，在生 产领域中，磁性材料、航空航天材料、和地面燃油 1 机涡轮叶片、复合材料、以及各种功能材料。
图1：最左边那个是原本金属晶体颗粒，中间那个是单方向晶 体，右边那个就是单晶叶片。
1 1.2
定向凝固技术概述
定向凝固技术的发展
3
新型定向凝固技术小结
纵观定向凝固技术的发展，人们在不断地提 高温度梯度、生长速度和冷却速度，以得到 性能更好的材料。而温度梯度无疑是其中的 1 关键，提高固液界面前沿的温度梯度在理论 上有以下途径：①缩短液体最高温度处到冷 却剂位置的距离; ②增加冷却强度和降低冷 却介质的温度; ③提高液态金属的最高温度。 无坩埚熔炼、无铸型、无污染的定向凝固成形 技术会成为未来发展的焦点，在未来的发展中 会日渐成熟。
2 2.4
传统定向凝固技术
液态金属冷却法（LMC法）
原理：液态金属代替水，作为模壳的冷却介质， 模壳直接浸入液态金属冷却剂中，散热大大加 1 强，以至在感应器底部迅速发生热平衡，造成 很高的温度梯度。
冷却剂的温度
影 响 因 素
模壳传热性、 厚度、形状
熔液温度
图9 LMC法原理图
2
传统定向凝固技术总结
基本原理是将盛有金属液的坩埚置于一激冷 1 基座上，在金属液被动力学过冷的同时，金 属液内建立起一个自下而上的温度梯度，冷 却过程中温度最低的底部先形核，晶体自下 而上生长，形成定向排列的树枝晶骨架，其 间是残余的金属液。在随后的冷却过程中， 这些金属液依靠向外界散热而向已有的枝晶 骨架上凝固，最终获得了定向凝固组织。
1
定向凝固技术概述
定向凝固技术的理论基础
1.3
(2)
20世纪 1 60年代末Versnyder提出的高温合金定向凝 固方法，使得涡轮叶片的制备技术发生了革命性变 化，成为材料制备历史上的里程碑之一。
高温合金定向凝固方法（典型的涡轮叶片）原理： 用柱状晶的同方向凝固，将细长的柱状晶朝着凝固 方向平行涡轮叶片运转产生的离心力，从而形成单 晶叶片。
不足之处
1.3
凝固为稳定状态
图4 界面振动是否稳定的正弦现象
三 个 条 件
固液界面扰动振 幅要很小 扰动振幅随时间 成线性变化
1
定向凝固技术概述
定向凝固的定义
定向凝固（Directional Solidfication）是指在凝固 1 过程中采用强制手段,在凝固金属和未凝固金属熔体 中建立起特定方向的温度梯度,从而使熔体沿着与热 流相反的方向凝固,最终得到具有特定取向柱状晶的 技术。
2 2.1
传统定向凝固技术
炉外法
1
优点：工艺简 单，生产成本 低。 缺点：温度梯 度不大而且很 难控制，不适 合大型件生产。
图6 炉外法原理图
2 2.2
传统定向凝固技术
功率降低法（PD法）
基本原理：把熔融的金属液置于保温炉， 保温炉是分段加热的，其底部采用水冷激 1 冷板。自上而下逐段关闭加热器，金属则 自下而上逐渐凝固。
1.3
(1)
20世纪20-30年代Bridgeman-Stockbarger技术奠 定了现代单晶生长和定向凝固的理论基础。
Bridgeman-Stockbarger技术又称为坩埚下降法，是 一种常见的晶体生长方法，原理：通过加热是的坩埚中 的材料被熔融，当坩埚持续下降过程中，底部的温度先 降低熔点以下，开始结晶，晶体从而不断的长大而形成。 这种方法常用于制备碱金属和碱式金属化合物以及氟化 物单晶。
2 2.3
传统定向凝固技术
快速凝固法（HRS法）
1 快速凝固法的工艺特点：将铸 型以一定速度从炉中移出，或 者炉子以一定的速度移离铸件， 并采用空冷方式对流传热—— 辐射传热。 缺点：容易造成点 状偏析
图8 HRS法原理图
2 2.4
传统定向凝固技术
液态金属冷却法（LMC法）
1 液态金属冷却法是在快速凝固法的基础上，将 抽拉出的铸件部分浸入具有高导热系数的高沸 点、低熔点、热容量大的液态金属中。这种方 法提高了铸件的冷却速度和固液界面的温度梯 度，而且在较大的生长速度范围内可使界面前 沿的温度梯度保持稳定，结晶在相对稳态下进 行，得到比较长的单向柱晶。
3
新型定向凝固技术
激光超高温度梯度快速定向凝 固
利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快 1 速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得 与激光扫描方向一致的温度梯度，根据合金 凝固特性选择适当的工艺参数以获得胞晶组 织。
3.2
最高温度梯度可达106K/m，速 度可达24mm/s。
图11 原理图
3
新型定向凝固技术 深过冷定向凝固技术
定向凝固技术
传统定向凝固技术 新型定向凝固技术
炉 外 法
功 率 降 低 法
快 速 凝 固 法
液 态 金 属 冷 却 法
区 域 熔 化 液 态 金 属 冷 却 法
激 光 超 高 温 度 梯 度 快 速 定 向 凝 固
深 过 冷 定 向 凝 固 技 术
电 磁 约 束 成 形 定 向 凝 固 技 术
侧 向 约 束 下 的 定 向 凝 固 技 术